Eleição de Líder. Alysson Neves Bessani Departamento de Informática Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa

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Walter Caires Carneiro
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1 Eleição de Líder Alysson Neves Bessani Departamento de Informática Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa Algoritmos de Eleição Muitos algoritmos distribuídos necessitam de seleccionar um processo entre um conjunto de processos iguais: coordenador, líder, primário Esta tarefa parece simples à partida, mas na prática é necessário ter algumas precauções porque alguns dos processos podem falhar (durante ou antes da execução do algoritmo) Assume-se normalmente que cada processo tem um identificador único cada processo sabe os identificadores dos outros processos porém, os processos não sabem quais estão em funcionamento e quais estão parados» Em muitos sistemas reais, tem-se de se eleger um líder justamente porque o antigo não esta a responder

2 Algoritmos de Eleição Problema da Eleição de Líder Definição:» Existe um sistema com n processos;» Cada processo tem um identificador único conhecido por todos;» Para eleger um líder, cada processo invoca a função lider(), que retorna o identificador do processo eleito como líder. Propriedades:» Segurança (Safety): S: Após a execução do algoritmo, existe apenas um líder que é conhecido por todos.» Vivacidade (Liveness): V: A execução do algoritmo termina. Algoritmo Bully Hipóteses: há tempos máximos conhecidos para a comunicação; canais fiáveis Algoritmo: Um processo P inicia o algoritmo quando detecta que o líder não responde (esta detecção pode ser feita através de um timeout, por exemplo). O processo P executa os seguintes passos numa eleição:. envia a mensagem ELEIÇÃO aos processos com identificadores superiores. se ninguém responde, P ganha a eleição e fica como líder. se um processo com identificador superior responde OK, P termina a execução do algoritmo. Se um processo recebe ELEIÇÃO de um processo com identificador inferior, responde com uma mensagem OK e executa o algoritmo de eleição (a não ser que já tenha iniciado o algoritmo). Quando um processo percebe que vai ser o próximo líder (i.e., não recebe OK de nenhum processo com identificador superior a ele), envia uma mensagem COORDENADOR a todos os processos. Quando um processo recebe uma mensagem COORDENADOR, define seu emissor como líder. Quando um processo parado entra em funcionamento, executa o algoritmo

3 Algoritmo Bully Grupo com 8 processos (identificadores de a ), onde o processo detecta que o processo falhou. a) Envia ELEIÇÃO c) Enviam ELEIÇÃO b) Enviam OK d) Envia OK d) Envia COORDENADOR Algoritmo Bully Quando lidamos com algoritmos distribuídos, é importante conhecer o porque deles funcionarem Isto em geral implica em conhecer ou desenvolver os argumentos por trás de suas provas de correcção Algoritmos distribuídos são em geral complexos (nosso cérebro não é muito bom em lidar com várias threads ), e apenas através de provas rigorosas podemos ter certeza de que nosso algoritmos estão correctos Prova de correcção do Algoritmo Bully: L: A execução do algoritmo termina. Quando um processo P começa a correr o algoritmo ele só pode ficar bloqueado se algum dos processos com identificador superior a P não responder a sua mensagem de ELEIÇÃO Como há tempos máximos conhecidos para a comunicação, um processo que não responde é declarado falhado e sua mensagem OK não mais é esperada. Logo o processo não bloqueia e o algoritmo termina.

4 Algoritmo Bully Prova de correcção do Algoritmo Bully (continuação): S: Após a execução do algoritmo, existe apenas um líder que é conhecido por todos. (primeira parte existe apenas um líder) Assuma que o algoritmo falha a propriedade S e dois processos P e Q são líderes; Isto significa que tanto P quanto Q não receberam mensagens OK de processos com identificadores maiores que o seu; Como os identificadores são únicos e diferentes, temos P>Q ou Q>P:» P>Q: então Q recebeu a mensagem OK de P em resposta a sua mensagem ELEIÇÃO e portanto não se declarou líder;» Q>P: então P recebeu a mensagem OK de Q em resposta a sua mensagem ELEIÇÃO e portanto não se declarou líder. Em ambos os casos caímos numa contradição, logo não podem haver dois processos líderes (isto pode ser facilmente estendido para o caso com ou mais líderes). (segunda parte toda gente conhece o líder) Antes do algoritmo terminar o líder envia a mensagem COORDENADOR para todos os outros processos; Como os canais são fiáveis, todos recebem essa mensagem e ficam a conhecer a identidade do novo líder. Algoritmo com um Anel Hipótese: há tempos máximos conhecidos para a comunicação; canais fiáveis Algoritmo: os processos encontram-se organizados num círculo lógico, o anel Quando um processo P detecta que o líder não se encontra em funcionamento, constrói uma mensagem ELEIÇÃO e envia-a ao seu sucessor ELEIÇÃO = < identificador do processo > Se o sucessor tiver falhado então o processo envia a mensagem para os próximos sucessores até encontrar um em funcionamento Sempre que um processo recebe a mensagem ELEIÇÃO, adiciona-lhe o seu identificador e passa-a ao seu sucessor (ou seguinte que esteja ativo) Quando a mensagem retorna a P (que iniciou o algoritmo): este escolhe deterministicamente o próximo coordenador (por exemplo, o que tiver o maior identificador), e em seguida faz circular uma mensagem COORDENADOR COORDENADOR = <coord= ident i, lista de proc = ident k,...> A mensagem é retirada do círculo quando volta ao processo que a criou (P)

5 Algoritmo com um Anel a) Envio da mensagem ELEIÇÃO por dois processos distintos Exemplo: coordenador () falhou. A falha é detectada pelos processos e b) Envio da mensagem COORDENADOR pelos dois processos ambos escolhem o mesmo pois a escolha é determinística Eleição de Líder em Redes Ad Hoc sem Fio Os algoritmos anteriores se baseiam em hipóteses que não são válidas em redes ad hoc sem fio (entre outros ambientes) Canais fiáveis; topologia fixa; Vamos ver um algoritmo que não requer essas hipóteses, e portanto pode ser utilizado em redes ad hoc sem fio (sistemas pervasivos) A ideia por detrás do algoritmo é organizar os processos em árvore, sendo quem inicia o algoritmo a raiz da árvore Uma importante propriedade deste algoritmo é que o melhor nó (de acordo com alguma métrica pré-definida) é escolhido como líder Exemplo: o nó da rede de sensores que tem maior nível de energia Nós ao alcance de a. Nós ao alcance de e.

6 Eleição de Líder em Redes Ad Hoc sem Fio (a) O nó a detecta que o antigo líder falhou ou saiu da rede (i.e., moveu-se e não está mais acessível) e resolve iniciar o algoritmo de eleição de líder - O critério de escolha do novo líder é a capacidade do nó (b) O nó a envia uma mensagem ELEIÇÃO aos seus vizinhos (b e j) e fica a espera de confirmações; os nós que recebem essa mensagem definem a como seu pai Eleição de Líder em Redes Ad Hoc sem Fio (c) Os nós b e j enviam mensagens ELEIÇÃO a seus vizinhos (menos ao seu pai - a) e ficam a espera de confirmações; os nós que recebem a mensagem ELEIÇÃO definem seu emissor como pai (note que g recebe primeiro de b e portanto ignora a mensagem de j) (d) Os nós c e g seguem o algoritmo da mesma forma; note que e define g como pai porque recebe a mensagem ELEIÇÃO dele antes da de c

7 Eleição de Líder em Redes Ad Hoc sem Fio (e) Mais um passo é executado e todos os nós estão na árvore construída (f) Agora os nós retornam suas confirmações de volta a seus pais: - os nós que não são pais (folha) retornam apenas seu identificador e capacidade - os nós pais retornam o identificador e a capacidade do nó de maior capacidade entre ele e seus filhos - o que o nó raiz retornaria é o novo líder, cujo identificador deve ser difundido pela rede Eleição de Líder em Redes Ad Hoc sem Fio Como lidar com eleições iniciadas por processos diferentes? Cada mensagem ELEIÇÃO vem com o identificador da eleição (pode ser o identificador do processo que a iniciou) Cada nó executa apenas a eleição com menor identificador, ignorando (ou parando) a execução das demais Na prática o que acontece é que a árvore da eleição de menor identificador sobrescreve as de maior identificador Ignora eleição de d e segue a executar a de a (a < d)

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